用微波辐射分离乳状液的方法

专利名称：用微波辐射分离乳状液的方法
技术领域：
本发明涉及处理在有机液体中包含水滴的乳状液以便分离水和有机液体的方法，其中使乳状液接受微波辐射。本发明特别涉及分离包含水和油的乳状液。在石油制造工业中，生产的大部分原油是与水混和的。所以，为其后进行的将石油运送到炼油厂和水的再循环，分离水和油是非常必要的。
从美国专利4,582,629中可以了解通过使上述乳状液接受微波辐射而促进从乳状液中分离烃和水的方法。微波辐射这里定义为从1到300GHz。它陈述了优选微波频率为2和3GHz之间。文章中提及上述微波处理对乳状液的作用可能是由于两种机制的结合。第一种机制据说是类似于在常规体系中的加热。第二种机制据说是与结合水分子的激活有关，这破坏了出现在每个水滴和油之间的界面膜上的表面活性剂分子。
然而，仍然需要更详细评估微波对包含水和油的乳状液的作用，以便找出该辐射的最适频率范围。有必要将功率消耗降到最低，从而使该方法对分离大量乳状液经济可行。
本发明的目的是构想一些途径来设计一种完成更有效从乳状液中分离水和油的方法。由此应该可以更快分离水和油和/或使用比目前更低的功率消耗。
当使乳状液接受频率范围从300MHz到100GHz范围的电磁辐射时可以达到这个目的，水滴被选择性加热，而且，在特定频率范围内，选择在水将电磁辐射转化为热的倾向升高的区间内的频率，分离所需要的总能量降低且其后的重力分离率增加。因此可以将此设备做得更小，重量更轻等，这对海上应用特别重要。也可以减少用于去界面层稳定性的破乳剂的用量，产生更低成本的和更有利于环境保护的方法。
这种创造性的想法是通过使乳状液接受一定频率的微波而加热水滴，在此频率下水将电磁能转化为热的能力增高。由于在上述范围内油将电磁能转化为热的能力比水低得多，基本上只有水滴被加热。每个水滴和油之间的界面层将通过从被加热水滴的热传导而被加热。界面层的加热将导致该层的稳定成分在油中被破坏，因此水滴可以合并。所以，可以减小功率消耗而且此方法变得更经济可行。
特定物质将电磁能转化为热的效率由其介电损耗因子决定。含水物质的损耗因子在不同的频率取决于不同的影响。已知水的介电损耗因子在约20GHz的频率下由于自由水松弛作用而有一个峰值。在更低的频率，如4GHz以下，DC电导率对损耗因子的影响变得更重要。这在含盐的水中更重要。这样，最适介电损耗因子在不同条件下可以处于不同的频率。获得所讨论的乳状液的上述最适能量转化的最适频率由例如盐含量、温度和水滴大小决定。使用的频率优选处于产生这种水峰值的区间。
本发明进一步的目的是构想一些途径而设计达到更有效从乳状液中分离盐水和有机液体的方法，其中此乳状液接受电磁辐射。
当使乳状液接受频率范围从300MHz到1.9GHz的电磁辐射时可以达到这个目的。在从约3GHz开始的较低频率下盐水有不断增加的较好的将电磁能转化为热的能力。盐水的这种能力在2GHz及以下的频率增加尤其迅速。例如，当盐水接受频率为1.5GHz的电磁波时，具有比接受2GHz的电磁波时明显更高的将电磁能转化为热的能力。
以下参照附图对本发明的实施例作更详细的描述。
在附图中，

图1是在接受微波辐射之前和之后连续油相中的两个水滴的截面示意图。图2是温度和频率对纯水和NaCl水溶液的介电性质影响的线条图。
原油包含不同结构的烃即烷烃、异链烷烃、环烷、芳香族化合物和芳香族聚合物的混合物。也有少量包含杂原子的烃分子。杂原子为硫、氮和氧。这些含有涉及数量和类型的杂原子的分子的存在对油水相分离具有很大的重要性。这些具有比纯烃更高极性的化合物被分为三类树脂、沥青和石油脂。原油中水滴的稳定机制被称作位阻稳定和粒子稳定。简要地说，如果杂原子不再溶解于油相而是在油水界面形成氢键时就形成了稳定的乳状液。
图1表示在连续油相2中的两个水滴1。每个水滴1由包含上面提到的树脂、沥青和石油脂的界面层3包被。沥青颗粒用数字4表示。由于水滴或更具体地说是界面层有一个部分极性的坚固的大分子层，水滴的合并将被阻止。这样，为完成水滴合并需要破坏界面层或溶解其在油中的成分。图1也表示了两个从界面层释放的水滴如何碰撞。当水滴碰撞时会合并，获得更大的水滴，最终促使相分离。
图2是以1983年出版的A.C.Metaxas和R.J.Meredith所著“Industrial Microwave Heating”一书中的第60页中的数据为基础的。该图将纯水和盐水的有效损耗因子εeff″表示为频率的函数。介电损耗因子是对水将电磁能转化为热的效率的一种测量。注意到了水在250℃约20GHz时有一个有效损耗因子的峰值。这是由于自由水松弛形成的。有效损耗因子峰值在20GHz时达到大约35。油的介电损耗因子在20GHz明显较低，并且在1GHz以下有一个峰值。这提示可以通过使乳状液接受高频率，如20GHz而选择性加热水。这样，在如此高频下油将基本不受辐射的影响。界面层将通过水滴的热传导而被加热。另外，界面层与油相比有更高的极性，这样也将直接受辐射的影响。
根据例如水的结构和水与油的体积比，它最有效吸收能量的特有最适频率不同。当然，也可以通过加入添加剂改变水的性质从而改变特有频率。
根据本发明，特别是对于一般没有盐或有相当低盐含量的水滴，乳状液接受频率范围为3.1到100GHz，适合频率为至少3.5GHz，尤其是至少4.0GHz，优选至少6.0GHz，特别是至少10.0GHz的微波辐射。用至少14GHz，特别是至少18GHz，尤其是20GHz左右的频率更优。使此乳状液接受频率低于30GHz特别是低于25GHz的微波辐射更优。
根据一种优选实施方案，在一定的频率范围内，将选择处于一定区间的频率，其中水将电磁能转化为热的倾向升高，优选使用的频率是近似于水的转化倾向达到一个峰值或至少到达该峰值的75％的频率。通过使用此频率，实现分离的功率消耗将降到最低。然而名词升高应该在更广泛的意义中理解。升高是指在每个特定的范围中比最低介电损耗因子高25％的值，优选高于上述最低值的50％，甚至更优选为高于上述值的100％。对于3.1GHz到100GHz的范围，应选择产生大于25，优选大于30，最优为大于40的损耗因子的频率。
此外并不一定需要使用上述最适频率，而可以通过使用低于最适频率并仍然在要求范围的频率达到良好的分离效果，这是因为将介电损耗因子描绘为频率的函数的曲线从上述范围的起点向上倾斜到达介电损耗因子的峰值。
已知微波在水中的穿透深度随频率增高而减小，在约20GHz时最小。频率为20GHz时穿透深度为大约3mm。相反，频率为5GHz时穿透深度为大约40mm。需要高分离的乳状液中的水滴大小远远低于穿透深度，一般低于20lam。然而，有相对高水含量的乳状液优选较低的频率以便获得需要的分离。
上面的讨论当然同时适用于水和盐水。
本发明也涉及处理在有机液体中包含盐水滴的乳状液以便分离水和有机液体的方法，其中乳状液接受了频率低于1.9GHz的电磁辐射。图2表示0.3M和0.1M的虚线提示在低于约3GHz的频率下盐水将电磁能转化为热的倾向升高。然而上述倾向在小于2GHz的频率极佳。例如，对于0.3M的溶液，有效损耗因子在900MHz达到100。
油在低频具有将电磁辐射转化为热的最大倾向。庚烷的最适介电损耗因子为，例如小于1GHz。这提示频率越低油被加热的程度越高。如上面所讨论的，这种创造性的想法是通过应用影响水但基本不影响油的微波选择性地加热水。由于在低于2MHz的频率下急剧增加的盐水介电损耗因子，应该在2GHz以下有一个最适频率，在此频率下水被加热的程度依然显著大于油。对于低于最适频率的频率，油被加热的程度很大，而加热油需要很长时间是不利的，这要求更高的功率并因此要求相对广泛的设备。
根据最后提到的方法，使乳状液接受频率在3MHz到1.9GHz范围的电磁辐射，适合频率低于1.8GHz特别是低于1.5GHz，尤其是低于1.1GHz。另外，该频率优选至少为30MHz，特别是至少0.3GHz，尤其是至少0.6GHz，而且在一种优选实施例中，至少为0.8GHz。
在一定低频区间内较大的微波穿透深度是有利的，因为这样有更大水含量的乳状液可以被辐射而且每单位时间可以处理的乳状液量更大。
乳状液优选在被加热的水滴碰撞的方式下被作用。这可以通过如搅拌乳状液或通过电场或声场的方法选择性影响水滴。根据一种优选实施方案，在进行上述辐射时，将乳状液与湍流一起流动。
因此，乳状液在管道系统而不是静止洗浴系统中流动。在这样的管道系统中，每特定量的乳状液接受处理的停留时间小于5秒，优选小于3秒，更优为甚至小于1秒。选择使整体乳状液温度上升小于10℃的处理时间和电磁辐射功率。包括其水部分的乳状液保持液态。
管道系统优选从油罐到重力沉降分离罐的管道系统，被处理的乳状液在其中受重力影响被分为水和油。微波处理系统可以安置在这种分离罐的单个分离罐之间。由于本发明，在分离罐系统中分离所需要的时间可以减少。
因此，本发明包括为了对流经这种管道系统的乳状液进行此创造性处理方法而设置的微波处理器(applicator)等的用途。
在一些情况下，在此管道系统中运输所产生的湍流将是足够的。
作为使上述乳状液接受上述辐射的补充，根据其它方法，乳状液也可通过如传统加热器提供的热能而被加热。
在一些应用中，特别是作为不同的或不断进行改变的参数如乳状液温度、油/水含量和水中盐含量的函数时，微波辐射的频率在选定的频率范围内周期性改变。这样，尽管此过程中参数改变，仍然可以使用水表现出将微波能量转化为热的倾向升高的频率。
依照以上论述，可能应优选重复或连续测量一种性质，如水滴大小、介电性质、水含量、乳状液的传导性或温度，并使频率选择以上述测量为依据。
应该注意上面的描述仅仅应该看作是建立本发明的创造性想法的举例。所以，对于本领域的技术人员非常明显的是，可以不离开本发明的范围而进行细节修饰。
尽管以上描述集中于通过使乳状液接受微波辐射而加热水滴并随后通过热传导加热界面层使其破坏，去稳定界面层也被认为是多元机制的结合，如破坏表面活性剂分子和水分子之间的氢键。
权利要求
1.一种处理有机液体(2)中包含水滴(1)的乳状液的方法，目的是为了分离水和有机液体，其中乳状液接受微波辐射，其特征在于乳状液接受频率在300MHz到100GHz范围的电磁辐射，水滴被选择性加热，而且在特定频率范围内，将频率选择在水将电磁辐射转化为热的倾向升高的区间内。
2.权利要求1的方法，其特征在于选择辐射效果和乳状液接受辐射的时间周期，以便使与有机液体接触的水滴界面层通过辐射作用被选择性加热。
3.权利要求2的方法，其特征在于选择效果和时间周期，使至少大部分乳状液中的水滴的界面层被加热。
4.权利要求1-3任一项的方法，其特征在于以导致乳状液中被加热的水滴合并的强度加热水滴。
5.权利要求1-4任一项的方法，其特征在于乳状液接受频率至少为3.1GHz，适合至少3.5GHz，特别是4.1GHz，优选至少6.1GHz，尤其是至少10.0GHz的微波辐射。
6.权利要求1-5任一项的方法，其特征在于乳状液接受频率低于60GHz，适合低于30GHz，优选低于25GHz的微波辐射。
7.权利要求1-6任一项的方法，其特征在于乳状液接受频率近似于20GHz的微波辐射。
8.一种处理有机液体(2)中包含盐水滴(1)的乳状液的方法，目的是为了分离水和有机液体，其中乳状液接受微波辐射，其特征在于乳状液接受频率在300MHz到1.9GHz范围的电磁辐射。
9.权利要求8的方法，其特征在于选择频率低于1.8GHz，适合低于1.5GHz，优选低于1.1GHz的电磁辐射。
10.权利要求8或9的方法，其特征在于选择频率至少为0.6GHz，优选0.8GHz的电磁辐射。
11.前面权利要求的方法，其特征在于以被加热水滴碰撞的方式影响乳状液。
12.前面权利要求的方法，其特征在于为使被加热水滴碰撞，使乳状液与湍流一起流动。
13.前面权利要求的方法，其特征在于通过提供热能而加热乳状液。
14.权利要求1-7的方法，其特征在于频率近似于水的转化倾向到达一个峰值的频率。
15.前面任何一项权利要求的方法，其特征在于频率在上述频率范围内周期性改变。
16.权利要求1-15任一项的方法，其特征在于重复或连续测量乳状液的性质，频率的选择是以上述测量为依据的。
17.权利要求1-16任一项的方法，其特征在于当接受处理时乳状液是在管道系统中流动，每个特定量的乳状液接受处理的停留时间小于5秒，优选小于3秒，更优选小于1秒。
18.权利要求1-17任一项的方法，其特征在于选择处理时间和电磁辐射的功率，使得整体乳状液的温度升高小于10℃。
19.为对流经管道系统的油包水乳状液执行依据权利要求1-18任意一项的方法的微波处理器的用途。
全文摘要
一种处理有机液体(2)中包含水滴(1)的乳状液以分离水和有机液体的方法,其中乳状液接受微波辐射,乳状液接受频率在300MHz到100GHz范围的电磁辐射,水滴被选择性加热,而且在特定频率范围内,将频率选择在水将电磁辐射转化为热的倾向升高的区间内。
文档编号B01D17/04GK1370089SQ00811596
公开日2002年9月18日 申请日期2000年8月17日 优先权日1999年8月17日
发明者帕尔J·尼尔森, A·科恩菲尔德特, T·尼格伦, R·B·弗德希拉 申请人:Abb研究有限公司, 帕尔J·尼尔森